Het tijdmechanisme in de vroege zakhorloges

Het tijdmechanisme in deze vroege zakhorloges was hetzelfde als dat van de in de 13e eeuw uitgevonden klokken; de bermontsnapping die een bladerdek, een haltervormig staafje met gewichten aan de uiteinden, heen en weer liet slingeren. De drijfveer introduceerde echter een foutbron die niet aanwezig was in de gewichtaangedreven klokken. De kracht van een veer is niet constant, maar neemt af naarmate de veer afwikkelt. De snelheid van alle tijdwaarnemingsmechanismen wordt beïnvloed door veranderingen in hun aandrijfkracht, maar het primitieve berm- en foliotmechanisme was bijzonder gevoelig voor deze veranderingen, dus de vroege horloges vertraagden tijdens hun looptijd terwijl de drijfveer naar beneden liep. Dit probleem, dat gebrek aan isochronisme wordt genoemd, heeft de mechanische horloges in de loop van hun geschiedenis geplaagd.

Inspanningen om de nauwkeurigheid van de horloges te verbeteren vóór 1657 gericht op de avond uit de steile koppelcurve van de drijfveer. Twee apparaten om dit te doen was verschenen in de eerste klok-horloges: de stackfreed en de zekering. De stackfreed, een verende nok op de hoofdveeras, voegde veel wrijving toe en werd na ongeveer een eeuw verlaten. De zekering was een veel duurzamer idee. Een gebogen conische katrol met een ketting eromheen gewikkeld, die aan de hoofdveertrommel is bevestigd, veranderde de hefboomwerking bij het afrollen van de veer, waardoor de aandrijfkracht gelijk werd gemaakt. Zekeringen werden standaard in alle horloges, en werden gebruikt tot het begin van de 19e eeuw. Het blad werd ook geleidelijk aan vervangen door het balanswiel, dat een hoger traagheidsmoment had voor zijn grootte, wat een betere tijdregistratie mogelijk maakte.

Tekening van een van zijn eerste balansveren, bevestigd aan een balanswiel, door Christiaan Huygens, gepubliceerd in zijn brief in het Journal des Sçavants van 25 februari 1675.
Een grote sprong voorwaarts in de nauwkeurigheid gebeurde in 1657 met de toevoeging van de evenwichtsveer aan het evenwichtswiel, een uitvinding die destijds en sindsdien betwist werd tussen Robert Hooke en Christiaan Huygens. Voordien was de enige kracht die de heen-en-weer beweging van het balanswiel onder de ontsnappingskracht beperkte, de traagheid van het wiel. Hierdoor was de periode van het wiel zeer gevoelig voor de kracht van de drijfveer. De balansveer maakte het balanswiel tot een harmonische oscillator, met een natuurlijke ‘beat’ die bestand is tegen storingen. Dit verhoogde de nauwkeurigheid van de horloges enorm en reduceerde de fout van misschien enkele uren per dag tot misschien 10 minuten per dag, wat resulteerde in de toevoeging van de minuutwijzer aan de wijzerplaat van rond 1680 in Groot-Brittannië en 1700 in Frankrijk. De verhoogde nauwkeurigheid van het balanswiel richtte de aandacht op fouten die werden veroorzaakt door andere delen van het uurwerk, waardoor een twee eeuwen durende golf van innovatie in de uurwerkmakerij werd ontstoken.

Het eerste wat verbeterd moest worden was de ontsnapping. De spillegang werd in kwaliteitshorloges vervangen door de cilindergeleiding, uitgevonden door Thomas Tompion in 1695 en verder ontwikkeld door George Graham in de jaren 1720. In Groot-Brittannië ging een paar kwaliteitshorloges naar het duplex-escapement, uitgevonden door Jean Baptiste Dutertre in 1724. Het voordeel van deze echappementen was dat ze alleen het balanswiel een kort duwtje gaven in het midden van de schommel, waardoor het ‘los’ kwam van het echappement om ongestoord heen en weer te zwaaien tijdens het grootste deel van de cyclus.

In dezelfde periode maakten verbeteringen in de productie, zoals de door Robert Hooke ontworpen tandzaagmachine, het mogelijk het volume van de horlogeproductie enigszins te vergroten, hoewel de afwerking en montage tot ver in de 19e eeuw nog met de hand gebeurde.

Diagram van Earnshaw’s standaard chronometer detent escapement
De visie van de Verlichting op horloges als wetenschappelijke instrumenten bracht een snelle vooruitgang in hun mechanismen met zich mee. De ontwikkeling in deze periode van nauwkeurige mariene chronometers die nodig zijn in de hemelvaart om de lengtegraad te bepalen tijdens zeereizen, heeft veel technologische vooruitgang opgeleverd die later werd gebruikt in horloges. Het bleek dat een belangrijke oorzaak van de fout in de uurwerken van het balanswiel veranderingen in de elasticiteit van de balansveer met temperatuurveranderingen was. Dit probleem werd opgelost door het bimetaalcompenserende balanswiel dat in 1765 door Pierre Le Roy werd uitgevonden en door Thomas Earnshaw werd verbeterd. Dit type balanswiel had twee halfronde armen van een bimetalen constructie. Als de temperatuur stijgt, buigen de armen iets naar binnen, waardoor het balanswiel sneller heen en weer draait, wat de vertraging als gevolg van de zwakkere balansveer compenseert. Dit systeem, dat de door de temperatuur veroorzaakte fout tot enkele seconden per dag kon verminderen, begon de komende honderd jaar geleidelijk aan in de horloges te worden gebruikt.

Een horloge uit een iIllustratie gepubliceerd in Acta Eruditorum, 1737
De loop die in 1760 door Jean-Antoine Lépine werd uitgevonden, zorgde voor een constantere aandrijfkracht tijdens de looptijd van het horloge, en de invoering ervan in de 19e eeuw maakte de zekering overbodig. Gecompliceerde zakhorloges en astronomische horloges met vele wijzers en functies werden in deze periode gemaakt.